Institut des
NanoSciences de Paris
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Or-nanocristaux : un duo pour booster les sources de photons uniques

Très prisées dans le domaine de l’information quantique, notamment dans celui de la cryptographie, les sources de photons uniques font l’objet de recherches en vue de leur optimisation. En plaçant des nanocristaux à proximité d’une surface d’or, l’équipe « Nanostructures et optique » a observé une fluorescence en moyenne 2,5 fois plus intense, qu’en l’absence de surface d’or. Ces mêmes chercheurs ont ensuite caractérisé les différents aspects du couplage de l’émission du nanocristal aux plasmons de surface de l’or. Ils ont ainsi déterminé les conditions expérimentales optimales pour obtenir une source de photons uniques efficace.

Les nanocristaux colloïdaux de semi-conducteur sont des sphères de quelques nanomètres, obtenues par des réactions de synthèse chimique. Ce sont des émetteurs fluorescents très brillants ; suffisamment dilués, on peut les observer individuellement par microscopie optique (figure 1). On montre alors que la lumière émise par un nanocristal individuel est constituée de « photons uniques », c’est-à-dire que les photons sont émis un à un ; jamais deux au même instant ! Cette propriété spécifiquement quantique est étudiée, entre autres, pour ses perspectives en cryptographie. Il est alors nécessaire de recourir à des sources de photons uniques efficaces.

Dispositif de microscopie permettant l'étude en fluorescence d'un échantillon de nanocristaux. {JPEG}

Figure 1 : dispositif de microscopie permettant l’étude en fluorescence d’un échantillon de nanocristaux.

Pour modifier, voire contrôler les propriétés de fluorescence d’un nanocristal (intensité, direction, polarisation…), et en particulier, diminuer le temps nécessaire pour émettre un photon par émission spontanée (temps de vie), des nanocristaux (QDots ©, émission à 565 nm) ont été déposés sur différents échantillons constitués d’une couche d’or (200 nm) sur une lamelle de verre, recouverte d’une couche de silice d’épaisseur variable. L’épaisseur de la couche de silice a été contrôlée afin d’étudier le rôle de la distance entre l’or et les nanocristaux.

L’étude des corrélations de l’intensité de fluorescence émise (expérience de Hanbury-Brown et Twiss) a permis de vérifier l’unicité des phonons, comme le montre la faible taille du pic à délai nul sur la figure 2. Lorsque les nanocristaux sont excités par un laser en mode pulsé, la diminution du temps de vie permet d’augmenter le taux de répétition du laser et ainsi d’augmenter le nombre de photons uniques émis.

Corrélations de l'intensité de fluorescence émise en régime d'excitation pulsée pour une distance du nanocristal à la surface d'or de d=245nm ou d=20nm. La largeur du pic correspond au temps de vie de fluorescence {JPEG}

Figure 2 : corrélations de l’intensité de fluorescence émise en régime d’excitation pulsée pour une distance du nanocristal à la surface d’or de d=245nm ou d=20nm. La largeur du pic correspond au temps de vie de fluorescence

La figure 3 montre l’image, obtenue via une caméra CCD, d’un échantillon de nanocristaux à 80 nm d’une surface d’or excités en mode continu par une lampe UV, ensuite comparée à l’image d’un échantillon de référence sans surface d’or. Chaque pic d’intensité lumineuse correspond à un nanocristal. Sur les deux images apparaissent de fortes différences d’un nanocristal à l’autre, liées aux différences d’orientations de l’axe cristallin. Cependant, sur l’échantillon avec surface d’or, le signal lumineux détecté par nanocristal est en moyenne 2,5 fois plus intense que sur l’échantillon de référence. La présence de la surface d’or a donc permis d’augmenter l’intensité lumineuse collectée. Une analyse détaillée montre que cet effet d’amélioration de la source de photons uniques est principalement dû à une redirection de l’émission par réflexion sur la surface d’or et à une augmentation de la puissance d’excitation par interférence, qui compensent les pertes d’énergie dans la surface d’or (plasmons de surface et modes de pertes).

Images mesurées par une caméra CCD d'un échantillon de nanocristaux à 80 nm d'une surface d'or et d'un échantillon de référence sans surface d'or. {JPEG}

Figure 3 : images mesurées par une caméra CCD d’un échantillon de nanocristaux à 80 nm d’une surface d’or et d’un échantillon de référence sans surface d’or.

 

Pour en savoir plus :

Céline Vion, Piernicola Spinicelli, Laurent Coolen, Catherine Schwob, Jean-Marc Frigerio, Jean-Pierre Hermier et Agnès Maître,
« Controlled modification of single colloidal CdSe/ZnS nanocrystal fluorescence through interactions with a gold surface », Optics Express, Vol. 18, Issue 7, pp. 7440-7455 (2010)